第7章 最大功率點跟蹤(MPPT)技術

2023/2/4第六章

光伏并網(wǎng)逆變器控制策略兩個基本控制要求：一是要保持前后級之間的直流側(cè)電壓穩(wěn)定二是要實現(xiàn)并網(wǎng)電流控制電力電子系統(tǒng)的控制主要包括對給定信號的跟隨（跟隨性）和對擾動信號的抑制（抗擾性）兩個方面。2023/2/4顯然通過控制交流側(cè)Ui的幅值和相位，便可控制UL的幅值和相位，也即控制了電感電流的幅值和相位。2023/2/4再由Ui=

UL+E；可得交流側(cè)輸出電壓指令Ui*

jLI*

E并網(wǎng)控制的工作原理：首先由并網(wǎng)控制給定的有功、無功功率指令和電網(wǎng)電壓矢量，計算出輸出電流矢量I*；通過SPWM或SVPWM控制逆變器輸出所需交流側(cè)電壓矢量，實現(xiàn)逆變器并網(wǎng)電流的控制。2023/2/4間接電流控制：通過控制并網(wǎng)逆變器交流側(cè)電壓來間接控制輸出電流矢量。直接電流控制方案依據(jù)系統(tǒng)動態(tài)模型構(gòu)造電流閉環(huán)控制系統(tǒng)，2023/2/4? 相對于電網(wǎng)電壓矢量位置的電流矢量控制，稱為基于電壓定向的矢量控制(VOC)。? 相對于電網(wǎng)電壓矢量位置的功率控制，稱為基于電壓定向的直接功率控制(V-DPC)。以上兩種并網(wǎng)逆變器控制策略的控制性能取決于電網(wǎng)電壓矢量位置的精確獲得。2023/2/4第七章最大功率點跟蹤技術7-67.1概述光伏電池由于受外界因素(溫度、日照強度等)影響很多，因此其輸出具有明顯的非線性。

不同的外界條件下，光伏電池可運行在不同且唯一的最大功率點(MaximumPowerPoint,MPP)上。2023/2/47-7光伏系統(tǒng)應尋求光伏電池的最優(yōu)工作狀態(tài)，以最大限度的實現(xiàn)光能轉(zhuǎn)換為電能利用控制方法實現(xiàn)光伏電池最大功率輸出運行的技術稱為最大功率點跟蹤(MaximumPowerPointTracking,MPPT)技術。2023/2/4? 圖7-1分別給出了光伏電池在不同的溫度，日照強度下的I-V特性曲線。圖7-1 光伏電池不同溫度、日照強度下的I-V特性曲線2023/2/4? 由圖7-1可知，光伏電池既非恒壓源，也非恒流源，是一種非線性直流源。輸出電流在大部分工作電壓范圍內(nèi)相對恒定，最終在一個足夠高的電壓之后，電流迅速下降至零。? 光伏電池的輸出特性近似為矩形，即低壓段近似為恒流源，接近開路電壓時近似為恒壓源。? 溫度相同時，隨著日照強度的增加，光伏電池的開路電壓幾乎不變，短路電流有所增加；日照強度相同時，隨著溫度的升高，光伏電池的開路電壓下降，短路電流有所增加。2023/2/4? 圖7-2分別給出了光伏電池在不同的溫度，日照強度下的P-U特性曲線。圖7-2 光伏電池不同溫度、日照強度下的P-V特性曲線2023/2/4? 從圖7-2中可以看出，在一定的溫度和日照強度下，光伏電池具有唯一的最大功率點，當光伏電池工作在該點時，能輸出當前溫度和日照條件下的最大功率。? 在最大功率點左側(cè)，光伏電池的輸出功率隨著工作點電壓的增加而增大；在最大功率點右側(cè)，光伏電池的輸出功率隨著工作點電壓的增加而減小。? 當結(jié)溫增加時，光伏電池的開路電壓下降，短路電流略有增加，最大輸出功率減小,當日照強度增加時，光伏電池的開路電壓變化不大，短路電流增加明顯，最大輸出功率增加。7-112023/2/4? 從上面的分析中看出，光伏電池的輸出是一個隨機的、不穩(wěn)定的供電系統(tǒng)。工作時由于光伏電池的輸出特性受負荷狀態(tài)、光照強度、環(huán)境溫度等的影響而大幅度變化，其短路電流與日照量幾乎成正比關系增減，開路電壓受溫度變化的影響較大。? 最大功率點時刻在變化。因此，就不能用等效電阻的方法獲取最大功率。? 由于光伏電池的輸出特性是復雜的非線性形式，難以確定其數(shù)學模型，無法用解析法求取最大功率。7-122023/2/4常見幾種MPPT方法:(l)恒定電壓跟蹤法;(2)擾動觀測法（爬山法）;(3)導納增量法;(4)智能控制的方法。2023/2/47.2定電壓跟蹤法圖7-3 光伏電池不同日照強度下的P-V特性曲線由圖7-3可以看出，在光伏電池溫度變化不大時，光伏電池的P-U輸出特性曲線上的最大功率點幾乎分布于一條垂直直線的兩側(cè)，因此將光伏電池輸出電壓控制在其最大功率點電壓處，此時光伏電池將工作在最大功率點。最大功率點電壓與開路電壓之間存在近似的線性關系2023/2/4(1)開環(huán)控制，控制簡單，控制易實現(xiàn);(2)系統(tǒng)不會出現(xiàn)因給定的控制電壓劇烈變化而引起振蕩，具有良好的穩(wěn)定性;(3)控制精度差，系統(tǒng)最大功率跟蹤的精度取決于給定電壓值選擇的合理性;(4)控制的適應性差，當系統(tǒng)外界環(huán)境，如太陽輻射強度，光伏電池板溫度發(fā)生改變時系統(tǒng)難以進行準確的最大功率點跟蹤。定電壓跟蹤法特點：2023/2/47.3 擾動觀測法（爬山法）擾動觀測法(PerturbationObservation,PO)是目前實現(xiàn)MPPT常用的方法，它通過不斷擾動光伏系統(tǒng)的工作點來尋找最大功率點的方向。? 工作原理：先擾動輸出電壓值，然后測其功率變化并與擾動之前的功率值比較，如果功率值增加，則表示擾動方向正確，繼續(xù)朝同一方向擾動，如果擾動后功率值小于擾動前的值，則往相反的方向擾動。2023/2/4? 擾動觀測法示意圖如圖7-4所示圖7-4 擾動觀測法示意圖2023/2/4? 擾動觀測法程序流程如圖7-5所示圖7-5 擾動觀測法流程圖擾動觀測法按照每次擾動的電壓變化量是否固定，可分為定步長和變步長擾動觀測法。2023/2/4擾動觀測法的特點：? 擾動觀測法實質(zhì)上是一個自尋優(yōu)過程，通過對陣列當前輸出電壓與電流檢測，得到當前陣列輸出功率，再與已被存儲的前一時刻陣列功率相比較，舍小存大，再檢測，再比較，如此不停的周而復始，便可使陣列動態(tài)的工作在最大功率點上。? 此方法的優(yōu)點是算法簡單，容易實現(xiàn)，但對于光強快速變化的環(huán)境易產(chǎn)生錯誤的跟蹤，有較大的功率損失。有時還會發(fā)生程序控制在運行中的失序，出現(xiàn)“誤判”，還可產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象。7-192023/2/4? 誤判的例子:在光強變化快速的情況下，假定系統(tǒng)一開始工作在S1曲線上①點，由于擾動的作用，這時工作點向右移動到了S2曲線上的②點，并且P②>P①，系統(tǒng)便認為此時最大功率點應該在②點的右邊，仍向右調(diào)節(jié)工作點。圖7-6 擾動觀測法誤判示例7-202023/2/4產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象2023/2/4? 擾動觀測法的改進一、基于變步長的擾動觀測法基本思想：遠離MPP區(qū)域，采用較大的步長，在MPP附近，采用較小的步長。1.最優(yōu)梯度法最大功率點搜索過程：當工作點位于最大功率點左側(cè)斜率較大的區(qū)域時，電壓以一個較大步長的擾動量增加，并隨著向MPP靠近，自動變小擾動的步長。反之，過程相反。2023/2/4最優(yōu)梯度法最大功率點搜索過程圖2023/2/42.逐步逼近法假設初始工作點工作在P-U特性曲線最大功率點的左邊，并且遠離最大功率點，此時應以某一較大的步長m進行搜索，當滿足Pi+1<Pi時，說明當前工作點在最大功率點的右側(cè)，此時便可以估算出最大功率點的范圍應在兩個初始步長2m范圍內(nèi)；接著應改變搜索的方向，并且以m/2為步長進行搜索，直到出現(xiàn)搜索方向的第二次改變時，屆時最大功率點的范圍應在一個初始步長m范圍內(nèi)，此后再改變搜索方向，并且以m/4步長進行搜索，以此類推，找到最大功率點，而且精度逐步提高。2023/2/4然而這在實際中是做不到的，但是可以通過預測算法而獲得。這就是基于功率預測的擾動觀測法的基本思路。

對于誤判的問題，如果能夠在同一時刻測得同一輻照度下的P-U特性曲線上電壓擾動前、后所對應的工作點功率，就不會存在誤判問題。圖7-6 擾動觀測法誤判示例二、基于功率預測的擾動觀測法2023/2/4令kT時刻電壓UK處工作點測得的功率為P(K)，此時不給參考電壓加擾動，而在kT時刻后的半個采樣周期的(k+1/2)T時刻增加一次功率采樣。

若令測得的功率為P(k+1/2)，則可以得到基于一個采樣周期的預測功率為2023/2/4然后，在(k+1/2)T時刻使參考電壓增加ΔU，并令在(k+1)T時刻測得電壓Uk+1處的功率為P(k+1)，這樣P(k+1)和P‘(k)就是在同一輻照度下P-U特性曲線上電壓擾動前后的兩個工作點，因此，就沒有誤判的問題。2023/2/47.4電導增量法電導增量法(IncrementalConductance,INC)

是通過比較光伏電池陣列的瞬時導抗與導抗的變化量的方法來完成最大功率點跟蹤的功能。電導增量法避免了擾動觀測法的盲目性，它能夠判斷出工作點電壓與最大功率點電壓之間的關系。2023/2/4? 如右圖所示：光伏陣列的電壓功率曲線是一個單峰的曲線，在輸出功率最大點處，功率對電壓的導數(shù)為零，要尋找最大功率點，只要在功率對電壓的導數(shù)大于零的區(qū)域增加電壓，在功率對電壓的導數(shù)小于零的區(qū)域減小電壓，在導數(shù)等于零或非常接近于零的時候，電壓保持不變即可。光伏電池P-U特性的dP/dU變化特征2023/2/4光伏電池的瞬時功率：兩端對U求導，并將I作為U的函數(shù)，可得：極大值時：所以，工作點位于最大功率點時的條件：2023/2/4

工程中以ΔI/ΔU

近似代替dI/dU

可得電導增量法（INC）法進行最大功率時的判據(jù)如下：最大功率點左邊最大功率點最大功率點右邊2023/2/47-20電導增量法

流程圖圖7-9 電導增量法流程圖2023/2/4(1)控制效果好;(2)控制穩(wěn)定度高，當外部環(huán)境參數(shù)變化時系統(tǒng)能平穩(wěn)的追蹤其變化，且與光伏光伏電池組件的特性及參數(shù)無關;(3)控制算法較復雜，對控制系統(tǒng)要求較高;(4)控制電壓初始化參數(shù)對系統(tǒng)啟動過程中的跟蹤性能有較大影響，若設置不當則可能產(chǎn)生較大的功率損失。7-33?

電導增量法的特點2023/2/4擾動觀測法：電導增量法7-34?

與擾動觀測法的區(qū)別：2023/2/4? 電導增量法的數(shù)學依據(jù)是在最大功率點處功率對電壓的導數(shù)為0。由于P-U曲線為一單峰曲線，因此采用導納增量法進行最大功率跟蹤時無原理性誤差，為一個較理想的MPPT跟蹤方法。7-35電導增量法跟蹤誤差分析由于采用ΔI/ΔU

近似代替dI/dU，所以電導增量法也存在振蕩和誤判問題2023/2/47.5最大功率點跟蹤的實現(xiàn)? 兩級式光伏并網(wǎng)逆變器的MPPT控制7-232023/2/42023/2/4? 單級式光伏并網(wǎng)逆變器的MPPT控制7-24單級式并網(wǎng)逆變器202